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"Schaltungsanordnung zur Synchronisation elektrischer Antriebe" Die
Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung.zum Synchronisieren mit einstellbarer
fester Phasenverschiebung von frequenzanalog geregelten elektrischen Maschinen,
die als Geschwindigkeitsgeber Je einon Impulsgeber enthalten, der einen Puls mit
drehzahlproportionaler Impulsfrequenz erzeugt, wobei eine Einrichtung vorhanden
ist, mittels derer der zwangsweise Synchronlauf der Maschinen erreicht werden kann,
die vor dem Synchronisiervorgang unterschiedliche Drehzahl haben.
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Einrichtungen zum Synchronlauf von elektrischen Maschinen sind z.B.
bekannt aus dem Buch " Gleichlaufschaltungen von Asynchronmotoren", von F. Ungruh
u.H. organ, Verlag Vieweg, 1964.
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Häufig tritt Jedoch das Problem auf, zwei oder mehr Antriebe, die
aufgrund einer Gleichlaufregelung im Stande sind, synchron zu laufen, möglichst
schnell und insbesondere phasenrichtig zu synchronieren.
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Dies kann z.B. mit Hilfe der bei Gleichlaufregelungen als Geber verwendeten
Drehfeldsysteme geschehen, wobei der Geber der Leit
maschine beispielsweise
die Phasensteuerung eines Gleichrichters bewirkt und die gleichzurichtende Spannung
dem Geber der lochtermaschine entnommen wird. Die erzeugte Regelabweichung ist im
Falle erfolgter Synchronisation eine Gleichspannung, deren Betrag der Winkelabweichung
der lochtermaschine gegenüber der Leitmaschine entspricht.
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Im Falle unterschiedlicher Geschwindigkeiten ist das Regelabweichungssignal
eine Wechselspannung mit einer Amplitude entsprechend der Geb er spannung und einer
Frequenz entsprechend der Differenzdrehzahl zwischen Leit- und Tochtermaschine.
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Soll nun bei einer bestimmten, einstellbaren Phasenverschiebung zwischen
Leit- und Tochtermaschine synchronisiert-werden so muß der Zeitpunkt abgewartet
werden, bei dem die Regelabweichung genau den der gewünschten Phase entsprechenden
Wert hat, um dann auf Gleichlauf umzuschalten. Soll die Wartezeit zwischen Synchronisationsbefehl
und ausgeführter Synchronisation klein sein, so muß eine gewisse Differenzdrehzahl
zwischen beiden Maschinen zugelassen werden, von der ausgehend die Maschinen mehr
oder weniger 'hart" synchronisiert werden. Der Synchronisationsvorgang geht um so
schneller vonstatten, Je größer die Differenzgeschwindigkeit ist, desto härter ist
aber auch die Synchronisation.
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Bei einer Gleichlaufregelung mit frequenzanalog geregelten Antrieben,
bei denen Soll- und Istwerte in Form von Pulsen vorliegen, die in Frequenz und Phase
verglichen werden, ist das
oben geschilderte Verfahren umständlich
und schlecht kompatibei, da ei sich dabei Ja um eine Nethode mit Gleich- und überlagerten
Wechselspannungen als Regelgrößen handelt und nicht um Impulstechnik.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Synchronisation mit
einstellbarem Phasenwinkel nur mit Hilfe digitaler Bauelemente zu erreichen, und
sie ist dadurch gekennzeichnet, daß jede Abtriebswelle der zu synchronisierenden
Antriebe mit Je einem zusätzlichen Winkel-Impulsgeber mit einer durch die Anzahl
de Synchronisationsintervalle gegebenen Teilung versehen ist, daß ein Vorwärts-Rückwärts-Zähler
vorgesehen ist, dessen Vorwärtszähleigang den drehzahlproportionalen Puls der Leitmaschine
erhält, und daß der erste von dem Winicel-Impulsgeber der Tochtermeschine kommende
Impuls den drehzahlproportionalen Puls der Tochtermaschine auf den Rückwärts-Zähleingang
des VorwSrts-RUckwSrts-Zählers durchschaltet, so daß dessen Zählerstand den Phasenwinkel
α zwischen den Antrieben angibt, und daß nach Erreichen des gewünschten Phasenwinkels
die Maschinen zwangsweise synchronisiert werden Haben die frequenzanalogen Antriebe
Geschwindigkeitsgeber, die drehzahlproportionale Frequenzen liefern, z.B. Impulstachometer,
so läßt das beschriebene Verfahren ohne weitere Zusstzmaßnahmen realisieren.
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Es gibt Jedoch auch frequenzanaloge Antriebe, bei denen die GeZ schwindigkeitsgeber
einen Puls liefer, der der Differenz oder der Summe aus
einem Träger
und der Winkelgeschwindigkeit entspricht. Dies hat nämlich den Vorteil, daß der
zeitliche Abstand der Meßinformation bei gegen Null gehende Winkelgeschwindigkeiten
nicht unendlich groß wird. Xleine Pulsperioden entsprechen bekanntlich regelungstechnisch
ungünstig langenTotzeiten.
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Der in der ersten Meßphase notwendige drehzahlproportionale Puls wird
dann dadurch erzeugt, daß mit Hilfe des vorhandenen Vorwärts-Rückwärts-Zählers die
Differenz zwischen Träger und Meßpuls gebildet wird. In der zweiten Meßphase, in
der die Differenz zwischen den Neßpulsen der Leit- und Tochtermaschine gebildet
werden, hebt sich der Träger heraus.
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Das erfindungsgemäße Prinzip läßt sich auch anwenden, wenn frequenzanologe
Motorregelungen mit Schleifringläufern aufgebaut werden, wobei die elektrische Rotorfrequenz
durch einfache Impulsformung als Neßpuls benutzt wird, d.h. der Rotor stellt den
Impulsgeber für den drehzahlproportionalen Puls dar.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung erläutert.
Es zeigen Fig. 1 ein Blockschaltbild der gesamten Anordnung zur Synchronisation
von zwei Antrieben, Fig. 2 ein Diagramm zur Erläuterung des zeitlichen Vorgangs
bein Synchronisieren, Fig.3 ein Blockschaltbild der Synchronisiereinrichtung für
frequenzanalog geregelte Schleifringläufer.
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In Fig. 1 sind zwei frequenzanalog geregelte Antriebe 1 und 2 mit
den zur Drehzahlregelung notwendigen Regeleinrichtungen dargestellt. Darin ist mit
der Welle der Arbeitsmaschine 11 bzw. 21 ein Geschwindigkeitsgeber 12 bzw. 22 gekuppelt,
der aus einem an das Drehstromnetz angeschlossenen Drehfeldsystem (z.B.
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Drehmelder) besteht.
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An den Schleifringen wird dadurch eine Wechselspannung abgenormen,
deren Frequenz den Unterschied der Rotationsfrequenz bzw. Drehzahl des Antriebs
und der Netzfrequenz darstellt.
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Diese Spannung wird in dem Pulsformer 14 bzw. 24 in Rechteckimpulse
umgeformt. Diese Rechteckimpulse speisen einen Regler 15 bzw. 25, in dem ihre Frequenz
mit einer Sollfrequenz verglichen wird, die vom Sollfrequenzgeber 7 bzw. 8 erzeugt
werden.
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Dieser Regler steuert einen Stromrichter 13 bzw. 23, der aus dem Drehstromnetz
eine Arbeitsmaschine 11 bzw. 21 speist, die hier eine Gleichstrommaschine ist.
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Die Antriebsmaschine 11 bzw. 21 treibt weiterhin über ein Getriebe
16 bew. 26 eine Abtriebswelle 17 bzw. 27, mit der die zu treibende Einrichtung verbunden
ist. Mit dieser Abtriebswellc ist weiterhin ein zusätzlicher Impulsgeber 18 bzw.
28 verbunden, der hier als. Scheibe dargestellt ist, die eine Markierung enthält.
Jeweils wenn die Markierung an dem Sensor 19 bzw. 29 vorbeiläuft, wird in diesem
Sensor ein elektrisches Signal erzeugt.
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Die Signale der S@@@oren 19 bzw. 29 führen auf die Synchronisationseinrichtung
3, die im wesentlichen einen Vorwärts-Rückwärts-Zähler enthält. Durch ein Signal
am Eingang 6 wird der
Synchronisationsvorgang ausgelöst. Das erste
Signal des Sensors 19 nach einem Signal am Eingang 6 schaltet einen aus dem Meßpuls
gewonnenen drehzahlproportionalen Puls am Eingang 10 der Einrichtung 3 auf den Vorwärts-Zähleingang
des Zählers durch, wie später im einzelnen erläutert wird. Mit dem nächsten Signal
des Sensors 29 wird der Meßpuls der Tochtermaschine 2 am Eingang 20 der Einrichtung
3 auf den Rückwärts-Zähleingang des Zählers durchgeschaltet. Der Zähler zählt somit
nun die Differenz der beiden Meßpulse, so daß die Zählerstellung die Differenz der
Winkel bzw. die Phasenverschiebung der beiden Abtriebswellen 17 und 27 angibt.
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Mit der Eingabeeinrichtung 4 wird die Zählerstellung angegeben, die
der gewünschten Phasenverschiebung -der Abtriebswellen entspricht. Sobald diese
Zählerstellung erreicht ist, gibt die Synchronisiereinrichtung 3 ein Signal ab,
das den Schalter 5 so umschaltet, daß die Tochtermaschine 2 nicht mehr vom Sollfrequenzgeber
8, sondern vom Solfrequenzgeber 7 gesteuert wird, so daß beide Maschinen 1 und 2
zwangsweise synchron laufen, wobei die Phasenverschiebung zwischen den Abtriebswellen
17 und 27 erhalten bleibt.
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Der zeitliche Ablauf des Synchronisationsvorganges läßt sich anhand
von Fig.2s anschaulich erläutern. Die zusätzlichen Impulsgeber 18 und 28 sind hier
wieder als Scheiben mit -einer einzigen Markierung dargestellt, die durch einen
Pfeil angedeutet
ist. Sie sind mit den Motoren über Getriebe verbunden,
was hier nicht dargestellt ist. Es kann sich beispielsweise um eine Metallscheibe
mit einem Schlitz handeln, die an einem HF-Ozillator 19 bzw. 29, der damit den Sensor
darstellt, vorbeiläuft und dessen Schwingungen abreißen läßt, sobald das Metall
die Feldlinien durchschneidet. Natur7ich kann die Scheibe 18 bzw. 28 auch mehrere
Schlitze haben, wobei sich bei einer Umdrehung mehrere Snchronisationsintervalle
ergeben.
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Sollen beide Motoren synchronisiert werden, so entsteht zunächst eine
Wartezeit vom Auslösen des Synchronisationsbefehles bis zu dem Augenblick, wenn
der Schlitz der Impulsgeberscheibe 18 der leitmaschine an dem Sensor 19 vorbeiläuft.
Diese Zartezeit kann maximal eine Umdrehung betragen, und zwar dann, wenn der Schlitz
bei Auslösung des Synchronisationsbefehles gerade die Sensorposition verlassen hat.
Der Augenblick, andem sich der Schlitz unter dem Sensor befindet, sei mit t1 benannt.
Im gleichen Augenblick möge der Schlitz des Impulsgebers 28 an einer beliebigen
Stelle des Umfanges des Impuls gebers 28 befinden, der zur Tochterniaschine gehört.
läuft nun dieser Schlitz unter den zugehörigen Sensor 29, so ist der Augenblick
t2 erreicht. Die Lage beider Schlitze in diesem Zeitpunkt ist gestrichelt angedeutet.
Der Impulsgeber 18 hat in diesem Zeitintervall t2 - t1 den Winkel vo zurückgelegt,
der also zum Zeitpunkt t2 die absolute Winkeldifferenz beider Schlitz der Impulsgeber
18 und 28 zueinander darstellt.
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Dieser Winkel α kann nun leicht dadurch gemessen werden, daß
während
des Zeitraumes von tl bis t2 der drehzahlpropotionale Meßpuls in den Vorwärts-Rückwarts-Sähler
eingespeist wird.
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Da jeder Impuls einem zurückgelegten Winkelinkrement entspricht, ergibt
sich somit der Gesamtwinkel a0.
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Im Diagramm Fig. 2b ist dieser Vorgang in stetiger Form drgestellt.
Darin bezeichnet die Gerade #1 die Winkelstellung des Schlitzes des ImpuZsgebers
18 gegenüber dem Sensor 19, und die gestrichelt gezeichnete Gerade m2 das gleiche
für den Impulsgebr 28, und zwar beginnend mit einer willkürlibhen Stellung beim
Sychronisationsstart zum Zeitpunkt t0. Zwischen diesem Synchronisationsstart und
dem Start des Zählers be t1 vergeht eine Wartezeit, die bis zu dem Zeitpunkt reicht,
an dem der laufend zunehmende Winkel des Schlitzes auf den Impulsgeber 18 des Leitantriebs
1 der Sondenposition ;i9 gleicht. Dann wird der Zähler gestartet, der den Phasenwinkel
zwischen den beiden Maschinen zum Zeitpunkt t2 durch Aufsummieren der Impulse des
drehzahlproportionalen Pulses der Leitmaschine 1 ermittelt.
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Dies wird als Meßzyklus 1 bezeichnet, in dem die Zählerstellung, die
in Fig. 2b als Gerade z dargestellt ist, dem Verlauf der Winkelstellung W1 gleicht.
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Zum Zeitpunkt t2 läuft der Schlitz des Impulsgebers 28 gerade an dem
Sensor 29 vorbei. Die Stellung des Zählers gibt in diesem Moment den Winkel α0
an, um den sich der Schlitz des Impulsgebers 18 von der Sensorposition 19 entfernt
hat. Dieser Winkel α0 wird jetzt als Anfangswert für eine Winkeldifferenzmessung
im Meßzylus 2 benutzt, in dem die Meßimpulse beider Maschinen
gegeneinandergezählt
werden, indem von Zeitpunkt t2 an zusätzlich der drehzahlproportionale Puls der
Tochtermsschine 2 auf den Rückwärts-Zähleingang des Zählers gegeben wird. Die Zählerstellung
z gibt also vom Zeitpunkt t2 die Differenz der beiden Meßpulse und damit die abnehmende
Winkelverschiebung zwischen den beiden Abtriebswellen an. Zum Zeitpunkt t3 erreicht
die Zählerstellung und damit der Differenzwinkel den eingestellten Sollwert as In
diesem Moment werden die beiden Maschinen synchronisiert, indem der Drehzahl sollwert
der Tochtermaschine auf den Sollwertgeber der Leitmaschine umgeschaltet wird, und
die Zähler werden abgeschaltet.
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Der Aufbau der Synchronisiereinrichtung 3 in Figur 1 ist in Figur
3 ausführlicher dergestellt . Mit einem Schalter wird auf dem Eingang 6 ein Signal
gegeben, das ein Gatter 33 vorbereitet. Mit dem nächsten vom Sensor 19 kommenden
Impuls werden die Schalter S2 und S3 eingeschaltet, so daß der Vorwärts-Zähleingang
des Vorwärts-Riickwärts-Sählers 30 den an der Leitung 10 anliegenden Meßpuls der
Leitmaschine erhält, während der Rückwärts-Zähleingang die am Eingang 34 anliegende
Netzspannung erhält. In dem hier beschriebenen Fall möge es sich nämlich um eine
Regelung eines Antriebes mit einem Drehfeldsystem als Geschwindigkeitsgeber handeln.
Der drehzahlproportionale Puls ist somit auf die Netzfrequenz moduliert fmeß = fNetz
- #mech und muß aus der Meßfrequenz durch Differenzbildung der Netæfrequenz erst
wieder erzeugt (demuduliert) werden. Dies geschieht; durch die gezeichne te Differenzzählung
zwischen Meßpuls der Leitmaschine und Netzfrequenz während des Meßzyklus 1 . Bei
einer
frequenzanalogen Regelung mit Impulstachometern wäre der
Eingang 34 unbeschaltet und der Zähler würde unmittelbar den am Eingang 10 liegenden
Meßpuls zählen.
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Ein Impuls des Sensors 29 schaltet'den Schalter S1 um, und in dem
folgenden Neßsyklus 2 wird die Differenz zwischen den beiden an den Eingängen 10
und 20 liegenden Meßpulsen gezählt.
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In diesem Meßsyklus ist es gleichgültig, ob die Drehzahlimpulse direkt
oder trägerfrequente Pulse voneinander subtrahiert werden. Der Träger fällt nämlich
durch die Differenzbildung heraus.
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Die Stellung des Vorwärts-RUckwErts-Zählers 30 wird im Digital-Analog-Konverter
31 in ein analoges Signal umgewandelt, das mit einem s.B. mittels eines Schalters
und einer Widerstandskette erzeugten analogen Sollwert am Eingang 35 in einem Komparator
32 verglichen. wird. Liegt der Istwert innerhalb einer durch die Stufigkeit der
Digital-Analog-Wandlung bedingten Toleranz, so gibt der Komparator 32 ein Signal
ab, das die Maschinen durch Umlegen des Schalters 5 auf zwangsweisen Synchronlauf
umschaltet. Außerdem kann der Zähler von den Impulsleitungen durch Öffnen der Schalter
S2 und S3 getrennt werden. Die Schalter können vorzugsweise elektronische Schalter
sein.
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Die Stellung des Zählers 30 kann auch direkt in einem digitalen Komparator
32 mit einem am Eingang 35 anliegenden Sollwert verglichen werden, wenn dies ein
digitaler Sollwert ist.
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Dadurch entfällt der Digital-Analog-Konverter 31.
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Die gesamtemaximal mögliche Synchronisationsdauer setzt sich zusammen
aus der maximalen Wartezeit (Intervall t0-t1), der maximalen Meßzeit während des
Meßzyklus 1 und der maximalen Meßzeit während des Meßzyklus 2. Da die maximale Wartezeit
am Anfang bereits eine Umdrehungszeit beträgt, kann es zweckmäßig sein, die Ermittlung
des Phasenwinkels & zwischen beiden Antrieben kontinuierlich vorzunehmen. αwürde
dann als ständig veränderlicher Zählerstand zu Jedem Zeitpunkt abrufbar sein.
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Dies läßt sich dadurch realisieren, daß die Schalter S2 und 53 durch
feste Verbindung ersetzt werden und die Eingänge 20, 34 und 10 - wie vorher geschildert
- mit dem drehzahlproportiönalen Puls des Tochterantriebes, mit der Netzfrequenz
und mit dem drehzahlproportionalen Puls des Leitantriebes gespeist werden. Schon
in den getrennten Anlaufphasen beider Antriebe wird der Anfangwert a0 ermittelt,
wobei der Schalter zunächst mit dem Eingang 34 verbunden ist. Dadurch wird der Meßzyklus
2 kontinuierlich in Betrieb gelassen. Der Differenzwinkel durchläuft nun - als Zählerstand
- den gesamten Bereich 0 <a< 2#. Bei einem 2nentsprechenden Zählerstand wird
der Zähler auf nO" zurückgesetzt und die zyklische Zählung beginnt von neuem. Das
Gatter 33 entfällt zugunsten einer Entscheidungsstufe, die den Schalter S1 auf 34
legt, wenn Sensor 19 sein erstes Signal abgibt. Sie legt S1 auf 20 um, wenn von
Sensor 29 das erste Signal erscheint.
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Patentansprüche: